JP5317195B2 - コイン形二次電池 - Google Patents

Description

本発明は、扁平丸形の電池容器内に、積層型の電極体と非水電解液とを収容したコイン形二次電池に関するものである。

この種のコイン形二次電池としては、例えば特許文献１が知られている。そこでは、電池缶（外装缶）の開口部にガスケットを介して封口板（封口缶）を装着し、開口部の周縁部をかしめて封口することにより扁平丸形の電池容器を構成し、この電池容器内に積層構造の電極体および非水電解液を収容している。電極体は、アルミニウム箔製の正極集電体の両面にコバルト酸リチウム等の正極活物質を塗着した正極と、銅箔製の負極集電体にコークス焼成品等の負極活物質を塗着した負極とをシート状のポリエチレン製のセパレータを介して交互に積層して形成されている。そのうえで、各正極集電体から延出された正極リードを電池缶の内面に、各負極集電体から延出された負極リードを封口板の内面にそれぞれ電気的に接続している。

積層構造の電極体の他の構成としては、例えば特許文献２に示すようにセパレータを扁平な袋状に形成し、該袋状のセパレータ内に正極を収容したものがある。具体的には、セパレータの材料である二枚のポリプロピレン製のフィルムの間に正極を挟んで重ね合わせたのち、それらフィルムの周縁部を互いに接着（溶着）することで、袋状のセパレータ内に正極を収容している。このように袋状のセパレータ内に正極を収容すると、特許文献１のような正極と負極との間にシート状のセパレータを挟んだだけの構成に比べ、正極と負極との接触をより確実に防止できる。

ところで、前記袋状のセパレータ内に正極を収容するものにあっては、セパレータ内に空気（水分を含まない乾燥空気）が残留することがある。このように空気が残留したまま電池が組み立てられると、当該空気の分だけ正極活物質と電解液との接触面積が減少し、電池反応が阻害されて電池容量の低下を招く。また空気と正極との境界部分でリチウムが析出する虞がある。

この対策としては、特許文献２のように、前述の上下のフィルムの周縁を互いに接着する際に非接着部分を１０個以上（特許文献２では１４個）設けることが考えられる。これによれば、非接着部分からセパレータ内の空気が排出されるため、セパレータ内に空気が残留することを防止できる。

特開２００５−３１０５７７号公報（図１−２） 特開２００８−０９１１００号公報（段落番号００２６、図１）

ところが、特許文献２のように非接着部分の個数が１０個以上になると、上下のフィルム間の接着性が低下し、これらフィルム間で剥離が生じる可能性がある。この場合、正極と負極とが短絡する虞がある。

本発明は、このような問題に対処するもので、袋状のセパレータ内に残留する空気を確実に排出できながら、前記セパレータを形成する上下のフィルム間で剥離が生じることを抑えることができるようにすることを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明に係るコイン形二次電池は、図２に示すように、外装缶４の開口部にガスケット５を介して封口缶６を装着して当該開口部の周縁部をかしめることにより封口された扁平な丸形の電池容器２を有し、電池容器２内に、円形の袋状のセパレータ９内に収容した正極７と負極８とを交互に複数段積層してなる積層型の電極体３および非水電解液が収容されており、正極７は正極集電体７１の両面に正極活物質層７２を形成してなるものであって、正極集電体７１から正極リード７１ａが電極体３の一側方に向けて延びてセパレータ９から導出されており、負極８は負極集電体８１に負極活物質層８２を形成してなるものであって、負極集電体８１から負極リード８１ａが電極体３の他側方に向けて延びており、袋状のセパレータ９は、該セパレータ９の材料である二枚のフィルム１２・１２で正極７を挟んで重ね合わせ、それらフィルム１２・１２の周縁部を互いに接着することで形成されており、袋状のセパレータ９の周縁部１４には、負極リード８１ａの対向位置９ｃを除く位置に、袋状のセパレータ９内の空気を排出するための二個ないし五個の非接着部１５Ａ・１５Ｂが分散状に設けられていることを特徴とする。ここでの空気には、例えば水分を含まない乾燥空気や不活性ガス等が含まれる。フィルム１２・１２の周縁部を互いに接着することには、上下のフィルム１２・１２の周縁部どうしを直接接着することや、合成樹脂製のフィルム等を挟んで接着すること等が含まれる。当該接着には、熱溶着による接着や接着剤による接着等が含まれる。

非接着部１５Ａ・１５Ｂのうちの一個は、正極リード７１ａをセパレータ９外へ導出させるための導出部９ｂが兼ねているものとすることができる。

電極体３の外周には、結束テープ１３が正極リード７１ａおよび負極リード８１ａの延びる方向と直交する方向に巻き付けられており、非接着部１５Ａ・１５Ｂは、袋状のセパレータ９の周縁部において結束テープ１３の配置位置９ｄを除く位置に設けてあるものとすることができる。

本発明に係るコイン形二次電池においては、袋状のセパレータ９の周縁部１４において、負極リード８１ａの対向位置９ｃを除く位置に二個ないし五個の非接着部１５Ａ・１５Ｂを分散状に設けた。これによれば袋状のセパレータ９内に正極７を収容する作業の際に、そのセパレータ９内に空気が残留しても、その空気はカシメ加工の際に分散配置した各非接着部１５Ａ・１５Ｂを通してセパレータ９外へ迅速、且つ、確実に排出させることができる。したがって、セパレータ９内に空気が残留したままでコイン形二次電池１が組み立てられることに起因して、残留空気によって正極活物質層７２と非水電解液との接触面積が減少して電池反応が阻害される不都合を一掃して、電池容量の低下を確実に防止することができる。また前記空気と正極７の正極活物質層７２との境界部分でリチウムが析出することを防止することができる。

そのうえで、非接着部１５Ａ・１５Ｂの個数を二個以上としたので、セパレータ９内の残留空気を確実に排出できる。また五個以下としたことで、接着部１６の寸法が小さくなり過ぎて、上下のフィルム１２・１２間の接着性が低下して、これらフィルム１２・１２間で剥離が生じることを確実に防止することができる。非接着部１５Ａ・１５Ｂを、負極リード８１ａの対向位置９ｃを除く位置に設けられてあると、負極リード８１ａで非接着部１５Ｂが塞がれることがない。したがって、負極リード８１ａの存在により、セパレータ９内の残留空気の排出が阻害される不都合は生じない。

非接着部１５Ａ・１５Ｂの一個が、正極リード７１ａをセパレータ９外へ導出させるために必須の導出部９ｂを兼ねると、その導出部９ｂをセパレータ９内の空気の排出にも利用できて、セパレータ９内の残留空気をより迅速に排出することができる。

非接着部１５Ａ・１５Ｂが、袋状のセパレータ９の周縁部１４において結束テープ１３の配置位置を除く部分に設けられていると、結束テープ１３で非接着部１５Ａ・１５Ｂが塞がれて、セパレータ９内の残留空気が排出され難くなることを確実に防止することができる。

本発明のコイン形二次電池に係る袋状のセパレータの平面図である。 コイン形二次電池の全体構造を示す縦断面図である。 コイン形二次電池の一部を示す縦断面図である。 コイン形二次電池の分解図である。 セパレータを袋状に形成する前の状態を示す斜視図である。

図１ないし図５に、本発明のコイン形二次電池をリチウムイオン二次電池に適用した一実施形態を示す。このコイン形二次電池１は、図２および図３に示すように、扁平な丸形の電池容器２内に、上下積層型の電極体３と非水電解液（図示せず）とが収容されている。

電池容器２は、外装缶４の開口部にガスケット５を介して封口缶６を装着して当該開口部の周縁部をかしめることにより封口（カシメ封口）されている。すなわち、電池容器２は、周縁部４ａを図２中の上向きに曲げた扁平丸皿形状の外装缶４と、周縁部６ａを図２中の下向きに曲げた扁平丸皿形状の封口缶６とからなり、これら外装缶４と封口缶６とが、両者の周縁部４ａ・６ａ間に配置したガスケット５を介してカシメ封口されている。封口缶６の周縁部６ａの下端部は、内外二重のはぜ折りに加工してある。外装缶４および封口缶６はステンレス鋼で構成されている。ガスケット５は絶縁体である合成樹脂で形成されている。

電極体３は、略円形の扁平袋状のセパレータ９内に収容した略円形状の正極７と、略円形状の負極８とを上下方向に交互に複数段積層して構成してある。各セパレータ９は、絶縁性に優れたポリエチレン製の微多孔性薄膜等で構成されており、リチウムイオンが透過可能になっている。なお、図示例では正極７および負極８の積層段数は、簡略化のため三段しか描いていないが、実際には七段程度の積層段数を採用する。ただし、このような段数に限られないことは勿論である。

電極体３の積層方向における両端（図３では上下両端）には、負極８Ａ・８Ｂがそれぞれ配置されている。上下両端に位置する負極８Ａ・８Ｂを除いて、負極８には、銅箔製の負極集電体８１の上下両面に黒鉛等の負極活物質を含有する負極活物質層８２がそれぞれ設けられている。具体的には図３の状態で電極体３の上端に位置する負極８Ａにおいては、負極集電体８１の下面側にのみ負極活物質層８２が設けられており、反対側の上面が露出状態で封口缶６の内面に接触している。電極体３の下端に位置する負極８Ｂにおいては、負極集電体８１の上面側にのみ負極活物質層８２が設けられている。電極体３の下端側の負極８Ｂの負極集電体８１と外装缶４の内底面４ｂとの間には、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）やポリイミド等で形成されたテープ等からなる絶縁シール１０が配置されている。

各正極７は、それぞれアルミニウム箔製の正極集電体７１の上下両面に、コバルト酸リチウム等の正極活物質を含有する正極活物質層７２をそれぞれ設けてなる。そして、図５に示すように、セパレータ９の材料である二枚のポリエチレン製のフィルム１２・１２で正極７を上下から挟んで重ね合わせ、その状態で略円形状に打ち抜くとともに、その打ち抜いた上下のフィルム１２・１２の周縁部を互いに直接またはポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）からなるフィルム等を挟んで熱溶着等によって接着することで、各正極７が袋状のセパレータ９内に収容される（図１の状態）。各正極集電体７１には、これと一体のアルミニウム箔製の正極リード７１ａが電極体３の一側方（図２では左方）に向けてそれぞれ延びており、該正極リード７１ａの先端側がセパレータ９から導出されている。これら正極リード７１ａの先端は、図示例のコイン形二次電池１では外装缶４の内底面４ｂに超音波溶接法等で電気的に接続されている（図３参照）。

各負極８・８Ａおよび８Ｂの負極集電体８１からは、これと一体の銅箔製の負極リード８１ａが電極体３の他側方（正極リード７１ａの導出方向とは反対側となる図２の右方）に向けて延びている。これら負極リード８１ａは、その先端どうしが一まとめにされた状態で超音波溶接法等で互いに接続されている。前述のように電極体３の上端側の負極８Ａの負極集電体８１は、封口缶６の内面に接触しており、これによって各負極８・８Ａおよび８Ｂは封口缶６に導通している。

電極体３の外周には、図１および図４に示すように、耐薬品性を有するポリプロピレン等からなる結束テープ１３が、リード７１ａ・８１ａの延びる方向と直交する方向（以下、この直交方向を左右方向という。）に巻き付けられ、この状態で遊端部が電極体３の外周に接着されている。結束テープ１３を取り付けたことによって、正極７を収容した袋状のセパレータ９および負極８がずれ動くことが防止される。

袋状のセパレータ９の周縁部１４においては、図１に示すように、正極リード７１ａをセパレータ９外へ導出させるための導出部（図１では左側）９ｂに非接着部１５Ａが形成されている。またセパレータ９の周縁部１４のうち、負極リード８１ａに臨む対向位置（図１では右側）９ｃと結束テープ１３の配置位置（図１では前後の位置）９ｄ・９ｄとの間の部分に、前後一対の非接着部１５Ｂ・１５Ｂが形成されている。すなわち、セパレータ９の周縁部１４には、接着を施さない三個の非接着部１５Ａ・１５Ｂが分散して形成されている。セパレータ９の周縁部１４のうち、前記三個の非接着部１５Ａ・１５Ｂを除いた部分（接着部）１６は、全て接着されている。三個の非接着部１５Ａ・１５Ｂの外縁１７の寸法の合計は、セパレータ９の外縁９ａの全寸法の２０％程度に設定されている。

前記のコイン形二次電池１の組み立ては、図４の状態とは逆に扁平丸皿形状の封口缶６を下側にして（言い換えると、封口缶６の開口部を上向きにして）、ガスケット５を装着し、次いで非水電解液を注入する。続いて、予め電極体３を所定の状態に取り付けた外装缶４を組み付けたのち、カシメ封口する。具体的には、以下のようにして行なう。

まず封口缶６の開口部を上にした状態で、封口缶６の周縁部６ａにガスケット５を装着する。そして、外装缶４の内底面４ｂ側に絶縁シール１０で電極体３を仮止めする。このとき、電極体３の正極リード７１ａは、外装缶４の内底面４ｂに超音波溶接される。次いで、前記ガスケット５を装着した封口缶６内に非水電解液を注入したうえで、該ガスケット５の外側に、開口部を下向きにした外装缶４を嵌め込んだのち、外装缶４の周縁部４ａを内方に向けてカシメ加工する。

このカシメ加工に伴なってガスケット５が圧縮され、該ガスケット５によって外装缶４と封口缶６との間が封止される。また、袋状のセパレータ９内に残留している空気（水分を含まない乾燥空気）が、三個の非接着部１５Ａ・１５Ｂを介してセパレータ９外へ排出され、ガスケット５と外装缶４との隙間を介して電池外へ排出される。こうして、外装缶４と封口缶６とがガスケット５を介在させた状態でカシメ封口されて、図２に示す本発明のコイン形二次電池１を得ることができる。なお、非水電解液としては、例えば、エチレンカーボネートとメチルエチルカーボネートとを混合した溶媒にＬｉＰＦ₆ を溶解させたものを使用することができる。

このように、セパレータ９の周縁部１４に非接着部１５Ａ・１５Ｂを設けてあると、セパレータ９内に空気が残留しても、カシメ加工の際に残留空気を非接着部１５Ａ・１５Ｂを通ってセパレータ９外へ排出させることができる。したがって、セパレータ９内に空気が残留したままでコイン形二次電池１が組み立てられることに起因して、残留空気によって正極活物質層７２と非水電解液との接触面積が減少して電池反応が阻害される不具合を一掃して、電池容量の低下を確実に防止することができる。また前記空気と正極７の正極活物質層７２との境界部分でリチウムが析出することを防ぐことができる。

結束テープ１３で非接着部１５Ｂが塞がれることを避けるために、非接着部１５Ｂは結束テープ１３の配置位置９ｄを避けて形成した。また、先端どうしが一まとめにされた状態で互いに接続された負極リード８１ａで非接着部１５Ｂが塞がれることを避けるために、非接着部１５Ｂは負極リード８１ａの対向位置９ｃを避けて形成した。非接着部１５Ａ・１５Ｂは、袋状のセパレータ９から正極リード７１ａが導出する導出部９ｂを含んで二個以上設けてあれば、セパレータ９内の空気を確実に排出できる。一方、五個以下にすることで、接着部１６の寸法が小さくなり過ぎて、上下のフィルム１２・１２どうしの接着性が低下して、これらフィルム１２・１２間で剥離が生じることを防止できる。すなわち、非接着部１５Ａ・１５Ｂは、セパレータ９の周縁部１４において二個ないし五個を分散状に設けることが好ましい。

非接着部１５Ａ・１５Ｂの外縁１７の寸法の合計としては、セパレータ９の外縁９ａの全寸法の１５〜６０％（１５％以上６０％以下）に設定されていることが好ましい。非接着部１５Ａ・１５Ｂの外縁１７の寸法の合計をセパレータ９の外縁９ａの全寸法の１５％以上に設定することで、非接着部１５Ａ・１５Ｂを二個ないし五個にしたことと相俟って、カシメ加工の際にセパレータ９内の空気を適正に排出できなくなることをより確実に防ぐことができる。６０％以下に設定することで、非接着部１５Ａ・１５Ｂを二個ないし五個にしたことと相俟って、接着部１６の寸法が小さくなり過ぎて、上下のフィルム１２・１２どうしの接着性が低下することを防止でき、また正極７が非接着部１５Ａ・１５Ｂからセパレータ９外へはみ出して負極８と接触することをより確実に防止できる。

セパレータ９の周縁部１４のうち、前記導出部９ｂと結束テープ１３の配置位置９ｄ・９ｄとの間の部分に非接着部を形成してもよい。なお、図示例のコイン形二次電池１は、外装缶４が正極側で封口缶６が負極側となるものであるが、封口缶６が正極側で外装缶４が負極側となるコイン形二次電池１にも本発明が適用できることはいうまでもない。

１ コイン形二次電池
２ 電池容器
３ 電極体
４ 外装缶
５ ガスケット
６ 封口缶
７ 正極
８ 負極
９ セパレータ
９ｂ 導出部
９ｃ 対向位置
１２ フィルム
１３ 結束テープ
１５Ａ・１５Ｂ 非接着部
１６ 接着部
７１ 正極集電体
７１ａ 正極リード
７２ 正極活物質層
８１ 負極集電体
８１ａ 負極リード
８２ 負極活物質層

Claims (3)

1. 外装缶の開口部にガスケットを介して封口缶を装着して当該開口部の周縁部をかしめることにより封口された扁平な丸形の電池容器を有し、
   前記電池容器内に、円形の袋状のセパレータ内に収容した正極と負極とを交互に複数段積層してなる積層型の電極体および非水電解液が収容されており、
   前記正極は正極集電体の両面に正極活物質層を形成してなるものであって、前記正極集電体から正極リードが前記電極体の一側方に向けて延びて前記セパレータから導出されており、
   前記負極は負極集電体に負極活物質層を形成してなるものであって、前記負極集電体から負極リードが前記電極体の他側方に向けて延びており、
   前記袋状のセパレータは、該セパレータの材料である二枚のフィルムで前記正極を挟んで重ね合わせ、それらフィルムの周縁部を互いに接着することで形成されており、
   前記袋状のセパレータの周縁部には、前記負極リードの対向位置を除く位置に、前記袋状のセパレータ内の空気を排出するための二個ないし五個の非接着部が分散状に設けられていることを特徴とするコイン形二次電池。
2. 前記非接着部のうちの一個は、前記正極リードを前記セパレータ外へ導出させるための導出部が兼ねている請求項１記載のコイン形二次電池。
3. 前記電極体の外周には、結束テープが前記正極リードおよび前記負極リードの延びる方向と直交する方向に巻き付けられており、
   前記非接着部は、前記袋状のセパレータの周縁部において前記結束テープの配置位置を除く位置に設けてある請求項１又は２記載のコイン形二次電池。

Images